авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Дуб черешчатый (quercus robur l.) на южном урале: эколого-генетический анализ популяционной струк туры.

На правах рукописи

ГАБИТОВА АЙГУЛЬ АЙДАРОВНА ДУБ ЧЕРЕШЧАТЫЙ (QUERCUS ROBUR L.) НА ЮЖНОМ УРАЛЕ:

ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОПУЛЯЦИОННОЙ СТРУК ТУРЫ.

Специальности:

03.02.08-Экология (биологические наук

и) и 03.02.07 - Генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук УФА – 2012 2

Работа выполнена на кафедре лесоводства и ландшафтного дизайна ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор Янбаев Юлай Аглямович Научный консультант: Доктор биологических наук, доцент Боронникова Светлана Витальевна

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, профессор Путенихин Валерий Петрович Доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович

Ведущая организация: ФГБУН Институт экологии Волжского бассейна РАН

Защита состоится «18» мая 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссерта ционного совета ДМ 002.136.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биологии Уфимского научного центра РАН по адресу: 450054, г.Уфа, Проспект Октября, 69. Тел./факс (347) 235-53-62. Е-mail: ib@anrb.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Россий ской академии наук Института биологии УНЦ РАН, с авторефератом – в сети Интернет по адресу http://www.anrb.ru/inbio/dissovet/index.htm и на сайте ВАК Минобрнауки РФ.

Автореферат разослан «16» апреля 2012 г.

Ученый секретарь дис сертационного совета Уразгильдин Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внутри- и межпопуляционные взаимодействия растений играют ключевую роль в динамике во времени и в пространстве ге нофондов (Slatkin, 1987) и, через ее регуляцию, в формировании устойчивости на популяционном уровне к экологическим факторам среды. Это положение особенно актуально для видов на границах ареалов, где условия среды для них экологически более экстремальны. Здесь из-за небольшой численности попу ляции больше подвержены к действию дрейфа генов и инбридинга, чувстви тельны к эрозии генофонда (Geber, 2008). Возможность противодействия этим неблагоприятным явлениям определяется способностью популяционных си стем поддерживать оптимальный уровень внутривидой пространственной под разделенности (Алтухов, 1995). Новые комбинации генотипов, образующиеся на границах ареалов, могут позволить видам быстрее эволюционировать и дать дополнительные возможности для адаптации и выживания (Petit et al., 2008).

Данный процесс в значительной степени определяется эффективностью меж популяционного генетического потока (Rousseau et al., 2008).

Популяционная структура дуба черешчатого (Quercus robur L. (Fagaceae)) исследована на большей части ареала и достаточно детально (Ducousso, Bor dacs, 2004). Однако на Южном Урале, где проходят его восточная граница (Семериков, 1981), факторы формирования и поддержания генофонда вида практически не изучены (Яковлев, Клейншмит, 2002), особенно с применени ем современных и информативных молекулярно-биологических методов (Редькина и др., 2008). Данная проблема не позволяет научно обоснованно разрабатывать системные меры для повышении устойчивости дубрав к небла гоприятным экологическим факторам, оценить эколого-генетические послед ствия наблюдающейся в последние десятилетия деградации дубняков (Григо рьев и др., 2000), сохранять и рационально использовать на популяционной основе генофонд вида (Янбаев и др., 2002), совершенствовать в регионе лесо семенное и лесокультурное дело.

Цель исследований - эколого-генетический анализ популяционной структуры дуба черешчатого на границах его ареала на Южном Урале и ком плекса факторов, ответственных за формирование и поддержание его гено фонда.

В связи с ней решались следующие задачи:

1) исследовать генетическое разнообразие популяций из различных природно-климатических зон региона и экологических условий местооби таний;

2) сравнить структуру популяций, расположенных в местообитаниях, типичных для вида, и экологически пессимальных условиях среды;

3) исследовать роль генетически реализованной миграции пыльцы на дальние расстояния в формировании и поддержании генетического разно образия популяционных структур;

4) провести анализ влияния особенностей семенного возобновления на формирование генотипического состава в насаждениях.

Научная новизна. Впервые с применением комплекса биохимических и молекулярно-генетических методов (аллозимных, ISSR- и микросателлитных локусов), современного научного оборудования и системы математических методов обработки результатов экспериментов изучена популяционная струк тура дуба черешчатого в восточной части его ареала. Установлено, что на Южном Урале генетическая дифференциация популяций из характерной для вида экологической среды обитания сравнительно невысока и обусловлена приуроченностью к крупным геоморфологическим образованиям и зонам рас тительности. Популяции из экологически экстремальной (пессимальной) для вида среды обитания генетически подразделены в большей степени. Относи тельно высокое генетическое разнообразие краевых популяций, в том числе расположенных вне ареала, формируется за счет изменчивого по годам гене тически реализованного переноса пыльцы на дальние расстояния. Динамика генетической структуры отдельных популяций в пространстве в существенной степени обусловлена особенностями семенного возобновления. Полученные результаты не только выявляют эколого-генетические факторы формирования популяционных структур дуба черешчатого на географической и экологиче ской границах ареала, но и расширяют теоретические представления об адап тации древесных растений к экстремальным экологическим факторам среды обитания с использованием популяционных механизмов.

Практическая значимость. Результаты исследований и практические рекомендации предлагаются для использования Федеральным агентством лес ного хозяйства РФ, научными учреждениями, высшими учебными заведения ми в их деятельности, в т.ч. для разработки системы мер для повышения устойчивости дубрав и адаптации дуба черешчатого к факторам среды, для разработки программ сохранения и рационального использования генофонда вида на восточной части ее ареала, совершенствования лесосеменного и лесо культурного дела. Теоретические и практические результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для повышения уровня подготовки бака лавров по направлениям «Биология», «Экология», «Генетика» и «Лесное де ло», а также магистров и научно-педагогических кадров высшей квалифика ции.

Организация исследований. Работа выполнена в 2008-2012 г. на ка федре лесоводства и ландшафтного дизайна ФГБОУ ВПО «Башкирский госу дарственный аграрный университет» (БГАУ). Исследования с применением изоферментного анализа проводили в лаборатории биоразнообразия научно образовательного центра БГАУ, с использованием ISSR-метода анализа ДНК в лаборатории молекулярной биологии и генетики Естественно-научного ин ститута ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследова тельский университет» (ЕНИ ПГНИУ). Изучение микросателлитных локусов проведено в лабораториях Института лесной генетики Федерального мини стерства продовольствия, сельского хозяйства и защиты потребителей Герма нии. Диссертационная работа выполнена в рамках плановых тем научно исследовательских работ ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, а также по Про грамме сотрудничества в сфере аграрных исследований между ФРГ и РФ (2009-2011 и 2012-2013 гг., проект № 3/07 «Oekologisch-genetische Untersuchungen im Hinblick auf Biodiversitaet und Monitoring»), по проекту «Ef ficient long-distance gene flow into an isolated relict oak stand beyond the eastern range margin of Quercus robur L.» (2007-2009 гг.), поддержанном указанным выше министерством ФРГ, при поддержке грантов Ассоциации «Агрообразо вание» (тема ««Экологические и генетические исследования биологического разнообразия дуба черешчатого на границах ареала (на примере Южного Ура ла)»», 2010 г.), Института фон Тюнена Федерального исследовательского ин ститута сельскохозяйственных земель, лесоводства и рыболовства ФРГ (тема «Identifizierung von Holzherknften», 2011 г.), Федеральной лесной службы США, выделенного на выполнение консорциумом исследователей из России (Башкирский ГАУ), США, Германии, Австралии и Сингапура проекта «Sup porting a robust and reliable timber supply with cutting-edge technology» (2012 2014 гг.).

Личный вклад автора состоит в разработке программы исследований со гласно поставленным задачам работы, в выборе объектов и методов, в прове дении полевых и лабораторных исследований, в обработке и интерпретации полученных результатов, в их сопоставлении с литературными данными, в подготовке рукописей диссертации и ее автореферата. Подготовка публикаций осуществлена самостоятельно или при активном участии автора диссертаци онной работы.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы были представлены и обсуждались на 12 научных и научно-практических конферен циях. В их числе 6 международных (Молодежная наука и АПК - проблемы и перспективы: Уфа, 2010;

Состояние, проблемы и перспективы развития АПК:

Уфа, 2010;

ЕС-Россия - 7-я Рамочная программа в области биотехнологии, лесного, рыбного хозяйства и пищи: Уфа, 2010;

Синтез знаний в естественных науках: Пермь, 2011;

Проблемы популяционной и общей генетики: Москва, 2011;

Третье международное совещание по сохранению лесных генетических ресурсов Сибири: Красноярск, 2011) и 6 всероссийских (Актуальные вопросы современной науки и образования: Сибай, 2010;

Биоразнообразие и биоресур сы Урала и сопредельных территорий: Оренбург, 2010;

Агрокомплекс-2010:

Уфа, 2010;

Агрокомплекс-2011: Уфа, 2011;

Научное обеспечение инновацион ного развития АПК: Уфа, 2011, Агрокомплекс-2012: Уфа, 2012) научных фо румов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 5 глав, заключения и выводов. Она изложена на 152 страницах машино писи, содержит 13 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 284 ис точника, из которых 219 - иностранных.

Благодарности: директору Института лесной генетики Федерального Министерства продовольствия, сельского хозяйства и защиты потребителей Германии д-ру Б. Дегену за предоставленную возможность исследования мик росателлитных локусов в лабораториях института;

его сотруднику д-ру Ю.

Бушбом за организацию выполнения экспериментов и консультации;

сотруд никам лаборатории «Молекулярной биологии и генетики» ЕНИ ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», содействовавшим в постановке ISSR-метода анализа полиморфизма ДНК дуба черешчатого;

аспирантам кафедры лесоводства и ландшафтного дизайна Баш кирского ГАУ за помощь в сборе растительного материала.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИДОВ QUERCUS L.

Проведен анализ отечественных и зарубежных работ по изучению популя ционной структуры с применением молекулярно-генетических маркеров у ви дов Quercus L. Сделан вывод, что выявленная противоречивость результатов вызвана недостаточным учетом воздействия на генофонды комплекса факторов (в первую очередь экологических), а также применением ограниченного круга методов молекулярно-генетического анализа популяций, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. В условиях Западной Евро пы, где исследования популяционной биологии Quercus L. проводятся все воз растающими темпами, дубовые леса в последние столетия деградируют из-за их хозяйственного использования. По этим причинам остается трудно дости жимым выяснение популяционных механизмов, ответственных за выживание и адаптацию дубов в условиях усиления антропогенного пресса на природу и в экологически экстремальной среде. На многие такие вопросы можно дать ответ лишь при изучении популяций, мало нарушенных человеком, например, в условиях России, где на восточных границах ареала вида сохранились автох тонные насаждения. К сожалению, проведенные в этих условиях исследования единичны (Янбаев и др., 2002;

Яковлев, Клейншмит, 2002;

Редькина и др., 2008). С учетом проведенного анализа литературы, имеющихся и большей ча стью нерешенных вопросов и проблем разработан план работы, осуществлен подбор методов, адекватных поставленным цели и задачам.

ГЛАВА 2. РЕГИОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Район проведения исследований охватывает лесостепную (Предуралье), степную (Зауралье, юг Зилаирского плато) и горно-лесную (низко- и среднего рья южно-уральских хребтов) зоны Южного Урала (Попов, 1980) – основную часть ареала дуба черешчатого на восточной его границе размером около на 400 км (север-юг и восток-запад, соответственно). В диссертации по работам (Крашенинников, 1939;

Колесников, 1969;

Горчаковский, 1972;

Кадильников, Тайчинов, 1973;

Попов, 1980;

Мукатанов 1986 и др.) приведено описание при родно-климатических условий и растительности региона, показано высокое разнообразие лесных экосистем с участием дуба черешчатого.

Приведено описание биоэкологических свойств Querсus robur L. и состоя ния его насаждений на Южном Урале. Здесь вид обитает на восточной границе ареала, имеет сложную историю расселения, существует в большом экологиче ском спектре местообитаний, его популяции в различной степени затронуты неблагоприятными климатическими и экологическими (природными и антро погенными) воздействиями. Это обстоятельство может влиять на уровни гене тического разнообразия и дифференциации популяций. Однако, мало известно в какой степени комплекс этих процессов повлиял на генофонд дуба черешча того на его восточной границе ареала?

В пределах всей исследованной части ареала дуба черешчатого в разных растительных зонах и экологических условиях были заложены 16 пробных площадей (рис. 1). В каждой из них случайным образом были отобраны в сред нем по 32 дерева генеративного возраста, с которых были собраны раститель ные образцы (почки) для лабораторного анализа.

Рис. 1. Схема размещения выборок Q. robur Примечание: 1, 2 и 3 – насаждения с доминированием, участием дуба черешча того и с его единичными деревьями, соответственно.

Для анализа изоферментов использовали разработанную ранее методику (Редькина, 2008). Разделение аллозимов осуществляли с использованием по лиакриламидного гель-электрофореза в 7,5 %-ном щелочном геле (Ornstein, 1964;

Davis, 1964). Гистохимическое выявление ферментативной активности в гелях проведели по стандартным методикам (Корочкин и др., 1977). Обозначе ние ферментов и локусов осуществляли согласно одной из номенклатур (Pra kash et al., 1969). Исследованы полиморфные локусы Skdh-1, Fdh-1, Aap-1, Lap 2 и Dia-1, кодирующих изоферменты шикиматдегидрогеназы (SKDH, E.C.

1.1.1.25), формиатдегидрогеназы (FDH, 1.2.1.2.), аланинаминопептидазы (AAP, 3.4.11.1.), лейцинаминопептидазы (LAP, 3.4.11.1.) и диафоразы (DIA, E.C.

1.6.4.3.). Генетический контроль наследования этих ферментов исследован при анализе потомства дуба от межвидовых скрещиваний (Muller-Starck et al., 1996), а изменчивость локуса димерной FDH - при помощи статистических ме тодов (Редькина и др., 2008).Для анализа популяционных структур использова ны показатели, определяемые компьютерной программой BIOSYS-1 (Swofford, Selander, 1981), в том числе частота аллелей, число аллелей на локус А, доля полиморфных локусов Р, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность ( H O и H E, соответственно), показатель межпопуляционной подразделенности FST и индекс фиксации (коэффициент фиксации) F (Wright, 1969), генетическое рас стояние М. Нея D (Nei, 1972). При определении статистической достоверности различий выборок, наблюдаемых и теоретически ожидаемых по правилу Хар ди-Вайнберга частот генотипов, использованы тесты 2 и G, а также при необ ходимости осуществлялось объединение генотипов в отдельные классы (Живо товский, 1981). Эти вычисления осуществлены с использованием программы GSЕD (Gillet, 1998). С ее помощью выборки также сравнивались по генотипи ческим частотам, определялись параметры внутрипопуляционного разнообра зия v( p), популяционной дифференциации Т, генетическое расстояние Грего риуса (Gregorius, 1974, 1978). С применением этой программы определялись многолокусные генотипы отдельных особей.

Молекулярно-генетический анализ проведен в лаборатории молекуляр ной биологии и генетики ЕНИ ПГНИУ с использованием ISSR- (Inter Simple Sequence Repeats, Zietkiewicz et al., 1994)-метода с применением полимеразной цепной реакции (ПЦР). ДНК из почек дуба черешчатого выделяли методом A.M. Торрес (Torres et al., 1993). Концентрацию и спектральную характеристи ку ДНК определяли на приборе SpectrofotometrTM NanoDrop 2000 («Thermo sci entific», USA). Амплификацию ДНК проводили в термоциклере MJ MiniCycler («Вio-rad», США) по стандартной для ISSR-метода программе (Молекулярная генетика…, 2007). Продукты амплификации разделяли путем электрофореза в 1.7 %-ном агарозном геле в 1х ТВЕ буфере, окрашивали бромистым этидием и сканировали в системе гель-документации Gel-Doc XR («Bio-Rad», USA). Для определения длин фрагментов ДНК использовали маркеры молекулярной мас сы («СибЭнзим-М», Россия) и программу Quantity One («Bio-Rad», USA). Про веден анализ полиморфизма 99 ISSR-PCR маркеров. Для проверки достоверно сти полученных результатов опыты повторяли не менее трех раз. Компьютер ный анализ молекулярно-генетического полиморфизма ДНК проведен с помо щью программы POPGENE 1.31 (Yeh et al., 1999) и специализированного мак роса GenAlEx6 (Peakall, Smouse, 2006) для MS-Excel с определением доли по лиморфных локусов Р95 (Williams et al., 1990), общего числа аллелей ( na ), эф фективного числа аллелей ( ne ) (Kimura еt al., 1964), ожидаемой гетерозиготно сти ( Н Е ) (Nei, 1987) и коэффициента межпопуляционной подразделенности GST. (Nei, 1975). Дендрограммы по ISSR-спектрам были построены при помощи компьютерных программ Treecon 1.3b и POPGENE 1.31.

Исследования микросателлитных локусов проводили в лабораториях Ин ститута лесной генетики и селекции Федерального исследовательского центра сельскохозяйственных земель, лесоводства и рыбоводства Германии. ДНК из растительных образцов выделяли по методике (Dumolin et al., 1995). Количе ство ДНК определяли на биофотометре Eppendorf (Германия). С применением ПЦР-реакции изучали полиморфизм микросателлитных локусов QpZAG112, QrZAG96, QpZAG110, QrZAG11, QrZAG87, QrZAG7, QrZAG20, QrZAG5b и QrZAG65 (Schueler et al., 2003;

Testolin et al. 2000;

Dirlewanger et al. 2002).

Фрагменты анализировали на генетическом анализаторе Megabace (Amersham Biosciences, Великобритания) и с применением MegaBace Fragment Profiler v1. (тот же производитель). Для оценки уровня генетического разнообразия у дере вьев и зародышей вычисляли параметры А, Н О и Н Е (см. выше). Для определе ния уровня дифференциации популяций применяли показатели FST и ее стан дартизированную величину (Hedrick, 2005), параметры внутрипопуляционного разнообразия v( p) и популяционной дифференциации Т. Для определения про странственной генотипической структуры популяций (Cliff, Ord, 1981;

Epperson, 1991) с применением аллелей микросателлитных локусов использо вали программу автокорреляционного анализа SGS (Degen et al., 2001). В каче стве меры сходства особей в пределах популяций выбрали расстояние Грего риуса d (1978).

Статистическую обработку данных анализа аллозимных, ISSR- и микро сателлитных локусов проводили с использованием также других параметров, процедур и методов (Животовский, 1983, 1990). Статистический анализ раз личных других вариационных рядов выполнены при помощи программы “STATISTICA 6.0” (версия 6.0.) и MS EXCEL.

ГЛАВА 3. ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ В ПОПУЛЯЦИЯХ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО Во всех выборках при изучении полиморфных аллозимных локусов Skdh-1, Fdh-1, Aap-1, Lap-2 и Dia-1 нами обнаружено 30 аллелей. Выявление генотипов с уникальным (не встречающимся у других особей) набором аллелей показало, что в среднем на одну выборку 94,3 2,12 % деревьев обладали отличающимся набором аллозимов. Эта доля варьировала по пробным площадям от 78,1 до (в восьми из четырнадцати изученных популяций) %. В каждой выборке недо статочно точно идентифицированы генотипы лишь 1-2 деревьев (в среднем 5, %) на каждой пробной площади. Это демонстрирует относительную информа тивность использованного нами набора полиморфных аллозимных локусов для генотипирования деревьев.

Анализ таблицы 1 показал, что географически краевые популяции имеют в среднем большее аллельное разнообразие, ожидаемая и наблюдаемая гетерози готность у них выше, чем в популяциях, расположенных в типичных для вида экологических условиях (группа 2). В группе 1 значение среднего коэффици ента инбридинга меньше. Популяции из экологически пессимальных условий среды (группа 3) уступают им по уровню изменчивости и полиморфизму алло зимных локусов. Снижение соответствующих параметров получены у них в ос новном за счет выборки Brz, где полиморфными были лишь два локуса. Без учета данной популяции вычисленные показатели генетической изменчивости _ группы 3 ( А =3,00 0,60, Н Е =0,377 0,018, Н О =0,309 0,015, F =+0,180) и остальных популяций (в том числе представляющих географически изолиро ванные малые насаждения Bm1,2 с крайне низкой численностью особей) стано вятся сопоставимыми. Этот феномен противоречит теоретическим представле ниям, что наибольшее генетическое разнообразие складывается в центральных популяциях. В качестве причины низкого полиморфизма малой по объему по пуляции Brz, расположенной на экологическом краю ареала и имеющую у осо бей нехарактерную для вида стланиковую форму, может быть фенологическая изоляция деревьев местообитания, приводящая к ограничению генетического потока извне.

Выявленный относительно высокий полиморфизм не является характер ным лишь для аллозимных локусов. Анализ полиморфизма ISSR-PCR маркеров показал, что в выборке Bm1 имеется 1,31 0,47 аллелей на локус, в то время в популяциях Azv1, Orb, Ufa, Tts и Inz значения параметра варьируют от 1,39 0,491 до 1,60 0,493 (в среднем 1,47 0,04, различия с Bm1 в 12 % стати стически недостоверны). Это заключение сделано при анализе 99 амплифици рованных фрагментов ДНК, среди которых 67 были полиморфными ( Р95 =0,677). Самая высокая доля полиморфных ISSR-локусов отмечена в попу ляции Azv1 ( Р95 =0,743), но выборка Bm1 мало уступала по этому параметру как ей, так и другим сравнительно большим по объему популяциям Orb, Ufa, Tts и Inz (рис. 2., см. там также число фрагментов, в т.ч. редких). В Bm1 ожидаемая гетерозиготность составила Н Е =0,076 0,014, в Inz – 0,091 0,015, в то время в популяциях Azv1, Orb, Ufa и Tts она варьируют от 0,104 0,011 до 0,126 0, (то есть не намного выше, с учетом больших объемов популяций).

Аналогичное заключение сделано нами при анализе 9 использованных микросателлитных локусов. Насаждения Bm1 и Bm2, географически изолиро ванные (до ближайших дубрав расстояние не менее 80 км) и имеющие неболь шую численность (27 и 7 деревьев генеративного возраста, соответственно), практически не уступают по гетерозиготности ( Н Е =0,81 0,03, Н О =0,85 0,04 и Н Е =0,69 0,07, Н О =0,75 0,109, соответственно) двум популяциям дуба череш чатого – из Германии ( Н Е =0,81 0,017 – 0,82 0,19, Н О =0,78 0,18 – 0,81 0,18) (Бушбом и др., 2010), а также (табл. 2) из контрольного насаждения Azv1 из Южного Урала ( Н Е =0,80 0,06, Н О =0,85 0,04). В выборках Azv1 и Bm1 в среднем на локус выявлено редких аллелей 6,88 1,48 и 4,33 1,19, соответ ственно. В насаждении Bm2 редкие аллели не обнаружены. Причиной такого снижения параметра, как и в случае с числом аллелей на локус, может быть ма лое число деревьев (всего семь особей). В выборке желудей, имеющей больший объем, как будет показано ниже, аллельное разнообразие близко к значению А в Azv1. Выявленные уровни генетического разнообразия популяции Bm1, представляются относительно высокими с учетом крайне малой численности в насаждении материнских деревьев и географической удаленности (не менее км) насаждения от других дубрав.

Таблица 1.

Генетическая изменчивость аллозимных локусов в популяциях дуба черешчатого Выборки Р,% НЕ НО А _ F Группа 3,8 0,454 0,108 0,420 0, Orb 100 +0, 3,6 0,395 0,081 0,324 0, Inz 100 +0, 3,8 0,431 0,079 0,371 0, Prm 1,2 100 +0, 3,7 0,426 0,17 0,371 0, В среднем 100 +0, Группа 3,0 0,427 0,067 0,422 0, Abz 100 +0, 2,8 0,388 0,084 0,329 0, Zlr4 100 +0, 3,4 0,417 0,068 0,387 0, Kmr 100 +0, 3,2 0,379 0,083 0,394 0, Ymg 100 -0, 4,2 0,449 0,087 0,294 0, Azv1 100 +0, 4,6 0,458 0,083 0,294 0, Azv24 100 +0, 2,0 0,294 0,081 0,311 0, Ufa 100 -0, 3,4 0,407 0,087 0,340 0, Bir 100 +0, 3,2 0,394 0,092 0,303 0, Tts 100 +0, 3,3 0,401 0,016 0,342 0, В среднем 100 +0, Группа 3,6 0,395 0,081 0,324 0, Inz2 100 +0, 2,4 0,359 0,128 0,294 0, Bmk 1,2 80 +0, 2,0 0,216 0,133 0,127 0, Brz 40 +0, 2,7 0,323 0,055 0,248 0, В среднем 73 +0, Примечания. Группа 1: географически краевые популяции на северо-востоке (1), востоке (2) и юго-востоке (3) ареала;

группа 2 – популяции широколиственной (4) и хвойно-широколиственной (5) зон;

Группа 3 - насаждения из экологически песси мальных условий среды, в том числе географически изолированные и малые по объе му дубравы (Bmk 1,2 и Brz). Р - доля полиморфных локусов, А - число аллелей на локус, H O и H E - наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность, соответственно), F коэффициент инбридинга.

ГЛАВА 4. МЕЖПОПУЛЯЦИОННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО НА ЮЖНОМ УРАЛЕ Определение параметров F -статистики Райта показало, что по всем ис пользованным полиморфным аллозимным локусам в среднем 90,3 % всей гене тической изменчивости популяций относится к ее внутривыборочной состав ляющей. Межвыборочная дифференциация ( FST =0,097) дуба черешчатого Юж ного Урала выражена больше, чем межпопуляционная подразделенность за падно-европейских популяций (Mller-Starck et al., 1993). Вычисление генети ческой дистанции М. Нея показало, что максимальные различия южно уральских популяций наблюдаются на сравнительно высоком уровне D =0,117.

Относительно высокая межпопуляционная изменчивость дуба черешчатого на Южном Урале может быть обусловлено несколькими причинами. Исследован ные насаждения расположены в экологически различающихся местообитаниях.

Формирование дубрав в регионе в последнее геологическое время могло проис ходить за счет разных генофондов – из локальных рефугиумов и мигрантов из убежищ Поволжья. В последние десятилетия наблюдается массовое, но нерав номерное по региону, усыхание дуба из-за чередующихся экстремально холод ных зим и последующих вспышек численности энтомовредителей дуба.

80 0, 60 0, 40 0, 20 0, 0 Azv 1 Orb Ufa Tts Bm 2 Inz Число фрагментов ДНК Число полиморфных фрагментов ДНК Число редких фрагментов ДНК Средняя ожидаемая гетерозиготность Рис.2. Показатели генетического разнообразия популяций Q. robur на основании по лиморфизма ISSR-PCR маркеров Таблица 2.

Полиморфизм и изменчивость микросателлитных локусов в популяциях разного объема дуба черешчатого Локусы НЕ НО А Azv1 Bm1 Bm2 Azv1 Bm1 Bm2 Azv1 Bm1 Bm QpZAG112 16 (8) 13 (8) 4 (0) 0,881 0,815 0,459 0,895 0,833 0, QrZAG96 8(6) 5(1) 2(0) 0,405 0,566 0,245 0,417 0,556 0, QpZAG110 8(3) 7(0) 5(0) 0,628 0,836 0,845 0,667 0,878 1, QrZAG11 19(10) 12(7) 7(0) 0,903 0,826 0,796 0,972 0,889 1, QrZAG87 11(4) 10(5) 4(0) 0,861 0,787 0,612 1,000 0,778 0, QpZAG112 11(3) 8(1) 8(0) 0,876 0,824 0,827 1,000 0,889 1, QrZAG96 12(5) 7(1) 5(0) 0,816 0,812 0,662 0,939 0,778 0, QpZAG110 26(17) 16(9) 9(0) 0,939 0,907 0,857 0,889 1,000 0, QrZAG11 15(6) 13(7) 8(0) 0,900 0,873 0,864 0,846 1,000 1, В среднем 14,00 10,11 5,78 0,801 0,805 0,685 0,847 0,845 0, m 1,93 1,21 0 0,058 0,032 0,072 0,064 0,045 0, Примечания: в скобках приведено число аллелей с частотой менее 5 %, m - ошибка среднеарифметических значений. См. также примечания таблицы 2.

Основной вклад в дифференциацию популяций вносят Inz, Brz и Bm1/ Bm2, расположенные в пессимальных экологических условиях обитания и ге нетически отличающиеся на относительно высоком уровне как друг от друга ( D =0,087), так и других популяций. Без их учета наблюдается снижение гене тической дистанции между остальными выборками до D =0,074. Оставшиеся популяции объединились (рис. 3) в три группы кластеров, условно отнесенных нами к северным (Prm1, Prm2, Tts), центральным (Bir, Ufa, Azv1, Azv2, Ymg) и к южным (Kmr, Zlr, Abz, Orb) дубравам. При этом в двух последних группах наблюдается закономерная структурированность генетической изменчивости – коэффициент корреляции между генетической дистанцией и географическим расстоянием является статистически достоверным ( r =0,34, р 0,05). Северные и центральная насаждения расположены в зонах хвойно-широколиственных и широколиственных лесов Башкортостана, соответственно. Южные популяции расположены вне этих зон на Зилаирском плато и прилегающей южнее лесо степи. Из этой закономерности выбивается лишь выборка Inz, представляющая дубравы из экологического и географического края ареала, расположенных на стыке хвойно-широколиственной и широколиственной зон растительности. В целом же генетическая дифференциация дубрав, произрастающих в относи тельно характерных для дуба черешчатого экологических условиях, по алло зимным локусам в целом соответствует известным представлениям (Семери ков, 1981) об истории расселения вида на Южном Урале, приуроченности вида к отдельным растительным и природно-климатическим зонам и крупным гео морфологическим образованиям.

В среднем для одного ISSR-локуса величина показателя межпопуляцион ной подразделенности GST составила 0,530 0,032. Различия в абсолютных ве личинах параметров GST и FST по аллозимным (см. выше) и ISSR-локусам, как показало сравнение авторских данных и результатов, известных в научной ли тературе, может быть связано с кодированием ими функционально разных ча стей генома (Янбаев и др., 2008). Тем не менее, метод позволил подтвердить общее заключение, сделанное при анализе аллозимов. Два насаждения Bm1 и Inz из экологически пессимальных условий дифференцированы генетически практически на том же уровне ( GST =0,557), как и популяции Orb, Azv1, Ufa и Tts ( GST =0,615), находящиеся на значительно большем удалении друг от друга, принадлежащие разным зонам растительности и расположенные на разных крупных геоморфологических образованиях Южного Урала. Более того, вы борка Inz существенно отличается по частотам ISSR-фрагментов и от находя щейся поблизости (чуть более 60 км по прямой) популяции Azv.

Для проверки гипотезы, что географически изолированные малые по чис ленности древостоя дубравы, отличающиеся по генотипической структуре от больших по объему популяций по данным аллозимных и ISSR-локусов, должны быть генетически дифференцированы и по аллелям микросателлитных локусов, нами с использованием последних сравнены выборки Bm1 и Azv1. Установле но, что генетическое расстояние М. Нея для пары Bm1/Azv1 составило относи тельно высокое значение D =0,226. В этом отношении генотипический состав в выборке Azv1 и в двух насаждениях Германии (см. Бушбом и др., 2010) ближе, чем генетическая дифференциация популяций Южного Урала, отличающиеся экологическими условиями обитания и численностью особей.

ГЛАВА 5. ВНУТРИ- И МЕЖПОПУЛЯЦИОННЫЙ ПОТОК ГЕНОВ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ ПОПУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО НА ЮЖНОМ УРАЛЕ На основе результатов, изложенных в Главах 3 и 4 выдвинута гипотеза, что по пуляции, расположенные на экологическом и географическом краях ареала и обладающие относительно малыми объемами, но сравнительно высоким гене тическим разнообразием, для предотвращения деградации генофондов из-за дрейфа генов и инбридинга должны обладать механизмами, препятствующими этим силам. Анализ литературы позволил выдвинуть предположение, что ос новной действующей силой при этом может быть межпопуляционный поток генов, реализуемый посредством распространения пыльцы. Однако известные в научной литературе представления об эффективности дальнего переноса пыль цы и возможностях ее генетической реализации противоречили данной идее, в частности, тому, что они могут быть существенным фактором формирования популяционной структуры в таких дубравах, как Bm, географически изолиро ванных от других дубняков расстоянием около 80 км.

Рис. 3. Дендрограмма, построенная на основе генетических расстояний D между популяциями дуба черешчатого по аллозимным локусам Для проверки или опровержения этой гипотезы использованы микросател литные локусы. При этом использован оригинальный методический подход – применение в качестве модельных объектов географически изолированных ма лых популяций, в которых возможно генотипирование всех имеющихся деревь ев и необходимого числа зародышей. Исследование проведено на примере насаждений из Башкирского Зауралья Bm1 и Bm2, расположенных на расстоя нии минимум 80 км от основной части дубняков Южного Урала и насчитыва ющих всего 7 и 27 деревьев репродуктивного возраста, соответственно. На ос нове генотипирования семи плодоносящих деревьев и их зародышей в желудях урожая двух лет на пробной площади Bm2 были определены все возможные ге нетические комбинации у потомства для анализа трех сценариев: 1) образова ние потомства происходит только за счет собственной пыльцы;

2) формирова ние генотипов зародышей осуществляется дополнительно пыльцой, поступаю щей из древостоя Bm1;

3) в насаждении обнаруживаются аллели, отсутствую щие в Bm1 и Bm2.

Показано, что поступление пыльцы из неизвестных источников обусловило появление аллелей, не встречающихся во всех возможных родительских парах в Bm1 и Bm2, у 41 % исследованных желудей. Таким образом, причиной отно сительно высокой генетической изменчивости краевых популяций дуба череш чатого на Южном Урале (не только Bm, но и других) может быть генетически эффективно реализованный поток пыльцы на дальние расстояния.

Установлено, что комплекс экологических факторов (в первую очередь по годные условия и ветровой режим), с учетом чувствительности к ним пыльцы черешчатого, может модулировать генетическую реализацию дальнего транс порта пыльцы в географически изолированные насаждения дуба черешчатого.

Доказательства получены при сравнении полиморфизма микросателлитных ло кусов зародышей выборки Bm2a (желуди собраны с деревьев) и Bm2b (муми фицированные в земле желуди предыдущего года). В выборке Bm2b число ал лелей на локус составляет A =5,56 2,36, ожидаемая гетерозиготность H E =0,63 0,21, наблюдаемая – H O =0,74 0,27. Для желудей следующего года плодоношения получены следующие данные. Число аллелей на локус было по чти в два раза больше ( AL =10,22 2,57), хотя значения гетерозиготности отли чались незначительно ( H E =0,77 0,16, H O =0,69 0,15). Выявленные различия позволили сделать заключение, что для генетически эффективного транспорта пыльцы, видимо, необходимо благоприятное стечение погодных и климатиче ских условий.

Данные, изложенные в Главах 3 и 4, ставят вопрос - по какой причине ма лые и географически изолированные популяции генетически сравнительно сильно дифференцированы от больших по объему популяций? Для ответа на него нами проверена гипотеза, что особенности семенного возобновления дуба черешчатого являются для них существенным фактором увеличения генетиче ского разнообразия. В этих целях в насаждении Bm1 проведен основанный на GIS-технологиях и симуляции Монте-Карло автокорреляционный анализ, поз воляющий статистически оценить убывание генетического родства пар деревь ев с ростом расстояния между ними. При этом сразу три микросателлитных ло куса показали феномен «изоляции дистанцией» - генетическое расстояние Г.-Р.

Грегориуса статистически достоверно росло с увеличением класса дистанции с 20, 31 и 51 м до 124 -153 м. С этих расстояний на графике-дистограмме линия, показывающая увеличение параметра d, выходит за пределы 95 %-ного дове рительного интервала, начиная случайно флуктуировать. Анализ особенностей семенного возобновления дуба черешчатого позволил выбрать наиболее веро ятное объяснение этой динамики – гравитационный механизм распространения желудей и с ними материнских аллелей, из-за чего концентрация последних убывает с расстоянием. Малые размеры популяций из экологически пессималь ных условий среды должны способствовать этому процессу, так доля каждого дерева-источника семян в образовании общего урожая в этих условиях намного больше, чем в больших по численности древостоях.

ВЫВОДЫ 1) Три разных типа молекулярно-генетических маркеров (аллозимные, ISSR- и микросателлитные локусы) показывают сравнительно высокое генети ческое разнообразие дуба черешчатого Южного Урала, в том числе в располо женных в экологически пессимальных условиях среды краевых географически изолированных малых популяциях.

2) Расположенные в типичных для вида условиях среды популяции, по ре зультатам анализа аллозимных локусов, сгруппировались по приуроченности к отдельным зонам растительности Южного Урала и к крупным геоморфологи ческим образованиям. Выделены северная (зона хвойно-широколиственных ле сов на севере Камско-Бельского понижения), центральная (зона широколист венных лесов центральной части Камско-Бельского понижения и низкогорий западного макросклона южно-уральских гор) и южная (граница бореально лесной и степной зон, юг Зилаирского плато) группы популяций с относительно слабой внутригрупповой генетической дифференциацией.

3) Основной вклад во внутривидовую пространственно-генетическую дифференциацию дуба черешчатого на Южном Урале вносят малые популяции эколого-географического края ареала, расположенные в экологически песси мальных условиях среды.

4) Генетически реализованный поток пыльцы, переносимой на дальние расстояния, является важным фактором формирования относительно высокого аллельного разнообразия в географически изолированных малых популяциях, снижая вероятность воздействия на их генофонд дрейфа генов и инбридинга.

5) Аллельное разнообразие потомства в краевых малых популяциях суще ственно варьирует по годам. Наиболее вероятной причиной данного феномена может быть воздействие комплекса экологических факторов (погодные усло вия, ветровой режим и др.), изменяющее качество пыльцы.

6) Гравитационный механизм распространения семян (желудей) дуба че решчатого в малых по численности деревьев географически изолированных дубравах, создавая в древостоях выраженную пространственно-семейную кла стеризацию генотипов, является фактором, ответственным за относительно вы сокое генетическое своебразие популяций на экологической и географической границах ареала.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕР ТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Янбаев Ю.А., Габитова А.А., Бушбом Ю. и др. Естественное возобнов ление дуба черешчатого на северо-восточной границе ареала // Аграрная Рос сия (специальный выпуск «Актуальные проблемы дендроэкологии и адапта ции растений», посвященный 80-летию со дня рождения профессора Ю.З. Ку лагина). – 2009. – С. 16-17.

2. Коновалов В.Ф., Янбаев Ю.А., Галлеев Э.И., Саитова Р.М., Габитова А.А. Состояние и перспективы развития селекции древесных растений в Рес публике Башкортостан // Аграрный вестник Урала. - 2010. - № 3. – С. 98-99.

3. Бушбом Ю., Янбаев Ю. А., Деген Б., Габитова А. А. Динамика генети ческого разнообразия во времени в изолированной популяции дуба черешчато го Quercus robur L. (Fagaceae) // Генетика. – 2012. – Т. 48. - № 1. – С. 135-137.

4. Янбаев Ю.А., Габитова А.А., Боронникова С.В. Экологическая обу словленность межпопуляционной генетической дифференциации дуба череш чатого на Южном Урале // Вестник БГАУ. 2012. - № 2. - С. 63-65.

Публикации в других изданиях 5. Габитова А.А. Об естественном возобновлении дуба черешчатого // Молодежная наука и АПК. Проблемы и перспективы: матер. междунар. науч.– практ. конф. – Уфа, 2010 г. – С. 198-200.

6. Садыков Х.Х., Габитова А.А., Янбаев Ю.А. О формировании культур дуба черешчатого // Актуальные проблемы современной науки и образования:

материалы всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. – С. 170-173.

7. Бушбом Ю., Деген Б., Янбаев Ю.А., Редькина Н.Н. и др. Эффективность генетического потока в изолированные малые популяции дуба черешчатого) // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий: матер. V всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург, 2010. – С. 20-22.

8. Габитова А.А., Ахметов А.Р., Ситдиков М.Р. О сохранении биоразнооб разия древесных пород в республике Башкортостан // Состояние, проблемы и перспективы развития АПК: матер. междунар. науч.–практ. конф. - Уфа, г. - 96-98.

9. Габитова А.А., Янбаев Ю.А., Муллагулов Р.Ю., Редькина Н.Н. и др. Об аллельном разнообразии древесных растений на восточной границе ареала на Южном Урале // ЕС-Россия: 7-я Рамочная программа в области биотехноло гии, лесного, рыбного хозяйства и пищи: матер. междунар. науч.–практ. конф.

с элементами научной школы для молодежи. - Уфа, 2010. - С. 81-83.

10. Янбаев Ю.А., Габитова А.А. Полиморфизм изоферментов дуба череш чатого (Quercus robur L.) // Научное обеспечение инновационного развития АПК: мат. всерос. науч.-практ. конф. в рамках XX юбилейной специализиро ванной выставки «Агрокомплекс-2010». - Уфа, Башкирский ГАУ. - 2011. – C.

317-319.

11. Габитова А.А., Янбаев Р.Ю. Генетическое разнообразие дуба черешча того Южного Урала // Агрокомплекс-2011: мат. всерос. науч.-практ. конф. в рамках ХХI международной специализированной выставки. – Уфа, 2011. - 209 211.

12. Садыков Х.Х., Янбаев Ю.А., Габитова А.А., Ахметов А.Р. и др. Эколо го-генетические процессы при естественном возобновлении широколиствен ных лесов Южного Урала // Синтез знаний в естественных науках: матер.

межд. науч. конф. – Пермь: Перм. гос. иссл. ун-т., 2011. - Т. 2. – С. 197-200.

13. Габитова А.А., Янбаев Ю.А., Боронникова С.В. Анализ генетического разнообразия дуба черешчатого с применением ISSR-PCR маркеров // Пробле мы популяционной и общей генетики: мат. междунар. конф., посвященные па мятной дате – 75-летию со дня рождения академика Ю.П. Алтухова. - Москва, 2011. – С. 102.

14. Янбаев Ю.А., Бушбом Ю., Деген Б., Габитова А.А. Формирование ге нетического разнообразия изолированных малых популяций дуба черешчатого на Южном Урале // Проблемы популяционной и общей генетики: мат. между нар. конф., посвященные памятной дате – 75-летию со дня рождения академи ка Ю.П. Алтухова. - Москва, 2011. – С. 123.

15. Габитова А.А., Янбаев Ю.А. Экология семенного размножения дуба черешчатого и формирования генотипического состава популяций в простран стве // Агрокомплекс-2012: мат. всерос. науч.-практ. конф. в рамках ХХII меж дународной специализированной выставки. - 2012. - С. 42-44.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.